本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量領(lǐng)域，將六自由度機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺與mems微振鏡結(jié)合成七自由度三維模型重建裝置，可實(shí)現(xiàn)物體的非接觸、高精度、高速度和全方位測量。

背景技術(shù)：

全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出以制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為核心，三維測量技術(shù)作為一種重要的數(shù)字化手段，其應(yīng)用價值越來越凸顯，已被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療整形領(lǐng)域、工業(yè)在線檢測、文物保護(hù)和電子商務(wù)等領(lǐng)域。光學(xué)三維測量由于具有非接觸、精度高、速度快的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為三維檢測領(lǐng)域最重要的技術(shù)。

光學(xué)三維測量分為主動式和被動式兩種。被動式測量技術(shù)主要以立體視覺技術(shù)為代表，采用非結(jié)構(gòu)光照明方式，從一個或多個角度觀察裝置中的二維信息來合成第三維信息，從而得到物體的三維數(shù)據(jù)。立體視覺技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，但存在著匹配難、計算速度慢等缺點(diǎn)。主動式測量技術(shù)以結(jié)構(gòu)光條紋投影和激光線掃描為代表。

結(jié)構(gòu)光條紋投影方法是將條紋投影到被測物體表面，經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形條紋由相機(jī)采集，再進(jìn)一步解調(diào)得到和深度信息有關(guān)的調(diào)制信號，最后經(jīng)過標(biāo)定得到物體表面的三維形貌。白光結(jié)構(gòu)光編碼形式有：二進(jìn)制編碼、灰度編碼、柵格碼、彩色編碼、相位編碼及混合編碼等。目前，三維測量常用的是相位測量法，基于相位測量的光柵投影技術(shù)分為：相移輪廓術(shù)psp(phaseshiftingprofilometry)、傅里葉變換輪廓術(shù)ftp(fouriertransformprofilometry)和小波變換輪廓術(shù)(wavelettransformprofilometry)。相位測量法具有精度高、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)測量顏色較暗的物體或者背景光強(qiáng)較暗，導(dǎo)致采集圖片條紋對比度太差，就無法進(jìn)行解調(diào)相位和物體的三維重建。

激光線掃描三維測量裝置由激光器和相機(jī)組成，激光束移動掃描整個物體表面，根據(jù)相機(jī)捕捉到的某一張圖像，根據(jù)三角變換原理可以求出對應(yīng)光束位置處的點(diǎn)的深度信息。但是最初的激光掃描技術(shù)會使掃描設(shè)備體積大，無法自由移動掃描設(shè)備，會使掃描過程中存在死角。近年來，由于mems掃描振鏡技術(shù)的不斷發(fā)展，使物體測量所需時間變短和測量精度大幅度提高，并且使三維測量設(shè)備體積不斷減小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種將六軸機(jī)器臂、轉(zhuǎn)臺、mems掃描振鏡激光三維測頭和控制器組成的七軸機(jī)器人三維掃描裝置，能夠解決一般三維掃描方法掃描有盲區(qū)，掃描時間長，掃描精度低的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種七軸機(jī)器人三維掃描裝置，包括用于生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的mems掃描振鏡激光三維測頭，用于裝夾mems掃描振鏡激光三維測頭的六軸機(jī)器臂，用于放置被測物的轉(zhuǎn)臺，用于控制機(jī)器人以及轉(zhuǎn)臺的控制器。

所述的mems掃描振鏡激光三維測頭包含激光mems投影裝置，該裝置以激光光束作為光源，通過二維mems掃描振鏡反射到被測物體表面，二維mems掃描振鏡在快慢兩個方向的驅(qū)動電流激勵下進(jìn)行二維掃描。同時，激光器的光強(qiáng)被正弦(或余弦)調(diào)制。從而在被測物的表面形成連續(xù)分布的正(或余弦)弦光場。所述激光mems投影裝置投射的是mems掃描振鏡反射出的激光，可用于生成光柵、線激光和點(diǎn)激光。

整個掃描過程如下：

第一步：在掃描被測物前，標(biāo)定出轉(zhuǎn)臺，激光測頭，六軸機(jī)器臂之間的位姿關(guān)系。標(biāo)定方法如下；

(1)進(jìn)行mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與六軸機(jī)器臂末端坐標(biāo)系位姿關(guān)系的標(biāo)定，即手眼標(biāo)定，設(shè)激光測頭坐標(biāo)系與六軸機(jī)器臂末端坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系為x,通過單目標(biāo)定得到測頭坐標(biāo)系隨著機(jī)器臂兩次移動的位姿關(guān)系a,通過控制器讀出機(jī)器臂工具坐標(biāo)系兩次移動的位姿關(guān)系d。其中a,d,x皆為4x4矩陣。根據(jù)三者之間的坐標(biāo)變換關(guān)系得到如下公式

ax＝xd

可以通過解方程解出x。

(2)進(jìn)行mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系的位姿關(guān)系的標(biāo)定。

首先進(jìn)行轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系原點(diǎn)p0(x0，y0，z0)的標(biāo)定，我們可以通過對標(biāo)定板上的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行圓心擬合的方法來求p0(x0，y0，z0)。其關(guān)鍵是在旋轉(zhuǎn)臺工作表面上找到合適的參考點(diǎn)p(x，y，z)。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動m次，將對應(yīng)不同的點(diǎn)p1(x，y，z)，p2(x，y，z)，…，pm(x，y，z)，理論上，這m個點(diǎn)應(yīng)處于同一圓周上。只要得到參考點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺不同旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的坐標(biāo)值，就可以通過圓心擬合方法求出旋轉(zhuǎn)中心，即轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系原點(diǎn)oc(tx，ty，tz)。

然后進(jìn)行轉(zhuǎn)臺z軸的標(biāo)定，z軸為過轉(zhuǎn)臺中心點(diǎn)，垂直轉(zhuǎn)臺平面且方向向上。確定z軸的方向即可建立旋轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系。z軸的標(biāo)定與轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)定相似，設(shè)p0(x0，y0，z0)為坐標(biāo)原點(diǎn)；p(x，y，z)為旋轉(zhuǎn)臺工作表面上的參考點(diǎn)，p1(x1，y1，z1)和p2(x2，y2，z2)為其在兩個不同視場中所對應(yīng)的坐標(biāo)，可以得到xy平面內(nèi)的兩個相交向量：

p0p1＝(x2-x0)i+(y2-y0)j+(z2-z0)k

p0p2＝(x1-x0)i+(y1-y0)j+(z1-z0)k

通過這兩個向量的向量積可求出z軸的方向向量。一旦旋轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)和z軸方向向確定，它與激光測頭坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換的位姿關(guān)系就會確定。

第二步：被測物放置在轉(zhuǎn)臺上，六軸機(jī)器臂夾持mems掃描振鏡激光三維掃描測移動n個位置，在每個位置處機(jī)器手臂保持靜止，測頭對準(zhǔn)被測物體，mems掃描振鏡激光三維測頭進(jìn)行二維掃描，獲取測頭當(dāng)前位置的全場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，機(jī)器臂完成n個位置的移動后，生成n個被測物體的三維點(diǎn)云。接著轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到下一個位置，激光測頭對準(zhǔn)物體重復(fù)上述掃描。轉(zhuǎn)臺共轉(zhuǎn)動m次，共生成m*n個物體點(diǎn)云。

第三步：將生成的m*n個物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，根據(jù)第一步得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)，可以將所有物體的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下，然后再利用icp算法優(yōu)化，最后形成完整的被測物體的點(diǎn)云模型。

有益效果

本發(fā)明方案提出的是一種新型的三維掃描裝置及方法，激光mems掃描振鏡三維掃描測頭中采用的是mems掃描振鏡激光，相比數(shù)字光和物理光柵技術(shù)，具有景深大，掃描速度快，體積小和掃描精度高的優(yōu)點(diǎn)；同時該方法還將高精度轉(zhuǎn)臺和六自由度機(jī)器人組合，可以增大機(jī)械臂工作范圍，同時可以提高對較大物體掃描的靈活性，減少掃描死角的問題，最終實(shí)現(xiàn)全自動化的三維掃描。

附圖說明

圖1機(jī)器人三維掃描裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2mems掃描振鏡激光三維測頭示意圖；

圖3各坐標(biāo)系相對位置圖；

其中：1為六軸機(jī)器臂；2為mems掃描振鏡激光三維測頭；3為轉(zhuǎn)臺；4為mems測頭外殼；5為相機(jī)支撐板；6為ccd相機(jī)；7為鏡面；8為mems振鏡；9為準(zhǔn)直透鏡；10為非球面透鏡；11為反光鏡；12為激光器；三個坐標(biāo)系的下標(biāo)b,e,c,t分別代表基礎(chǔ)坐標(biāo)系，機(jī)器臂末端坐標(biāo)系，測頭坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系。

具體實(shí)施方式

下面具體結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。

一種機(jī)器人三維掃描裝置(圖1所示)由六軸機(jī)器臂(1)、mems掃描振鏡激光三維測頭(2)，轉(zhuǎn)臺(3)組成；其中mems掃描振鏡激光三維測頭(圖2所示)由mems測頭外殼(4)、相機(jī)支撐板(5)、ccd相機(jī)(6)、鏡面(7)、mems振鏡(8)、準(zhǔn)直透鏡(9)、非球面透鏡(10)、反光鏡(11)和激光器(12)構(gòu)成，掃描測頭安放在六軸機(jī)械臂末端。

所述的mems掃描振鏡激光三維測頭(圖2所示)，箭頭代表激光光路，光路所通過的部分為激光mems投影裝置，其工作方式如下：激光器發(fā)出的激光光束，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡聚焦和準(zhǔn)直之后，得到了滿足要求的準(zhǔn)直激光光束；激光光束經(jīng)過一次鏡面反射，反射到mems振鏡；光束經(jīng)過mems振鏡再穿過非球面透鏡，然后經(jīng)過反光鏡反射到被測物體表面；激光器在驅(qū)動板生成的正弦電流信號的控制下，對激光光束的亮度進(jìn)行正弦調(diào)制；mems振鏡在驅(qū)動板生成的驅(qū)動信號激勵下，做二維的轉(zhuǎn)動，從而帶動激光光束進(jìn)行掃描，產(chǎn)生光柵圖。

一種機(jī)器人三維掃描方法，具體包括以下步驟：

第一步，標(biāo)定裝置參數(shù)。

1)標(biāo)定mems振鏡激光測頭坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端工具坐標(biāo)系的位姿關(guān)系

用a，b，c，d表示4x4矩陣，分別描述某兩個坐標(biāo)系之間的相對方位，相對方位由旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量t組成，即

其中，ra與ta的下標(biāo)表示所代表的矩陣名稱。在圖3，cobj表示標(biāo)定參照物的坐標(biāo)系，cc1與ce1分別表示六軸機(jī)器臂運(yùn)動前的mems振鏡激光測頭坐標(biāo)系與六軸機(jī)器臂末端坐標(biāo)系，cc2與ce2分別表示六軸機(jī)器臂運(yùn)動后的mems振鏡激光測頭坐標(biāo)系與六軸機(jī)器臂末端坐標(biāo)系。在cc1與cc2兩個位置上分別用標(biāo)定塊對ccd相機(jī)標(biāo)定從而求出其外參數(shù)，其中外參數(shù)即相機(jī)在cc1與cc2兩個位置上與cobj的相對方位，用a與b表示。由此，如果c表示cc1與cc2之間的相對方位，則

c＝ab^-1

在cc1與cc2兩個位置上分別用標(biāo)定塊對相機(jī)標(biāo)定，從而求出a與b，進(jìn)而求出c。ce1與ce2間的位姿關(guān)系可以由控制器讀出，屬于已知參數(shù)，用矩陣表示。由于mems掃描振鏡激光三維測頭固定在六軸機(jī)器臂末端，隨著機(jī)器臂一起運(yùn)動，因此cc1與ce1之間，cc2與ce2之間的位姿關(guān)系都為x。設(shè)空間中一點(diǎn)p在上述四個坐標(biāo)系cc1，cc2，ce1，ce2的坐標(biāo)分別為pc1，pc2，pe1，pe2，則有如下關(guān)系：

pc1＝cpc2(1.1)

pc1＝xpe1(1.2)

pe1＝dpe2(1.3)

pc2＝xpe2(1.4)

由式(1.1)與式(1.4)得

pc1＝cxpe2(1.5)

由式(1.2)與式(1.3)得

pc1＝xdpe2(1.6)

比較式(1.5)與(1.6)得到

cx＝xd(1.7)

其中矩陣c，d都為已知，因此可以解出mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的位姿關(guān)系

2)標(biāo)定mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系的位姿關(guān)系

首先進(jìn)行轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系原點(diǎn)的標(biāo)定，mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系坐標(biāo)變換的平移量就是旋轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在激光三維測頭坐標(biāo)系下的坐標(biāo)p0(x0，y0，z0)。我們可以通過對對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行圓心擬合的方法來求p0(x0，y0，z0)。其關(guān)鍵是在旋轉(zhuǎn)臺工作表面上找到合適的參考點(diǎn)p(x，y，z)。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動m次，將對應(yīng)不同的點(diǎn)p1(x，y，z)，p2(x，y，z)，…，pm(x，y，z)，理論上，這m個點(diǎn)應(yīng)處于同一圓周上。因此，在轉(zhuǎn)臺上平放一塊標(biāo)定版，激光測頭中ccd相機(jī)對準(zhǔn)標(biāo)定版拍攝一張標(biāo)定板照片，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過m個位置，此時機(jī)器臂保持不動，ccd相機(jī)繼續(xù)拍攝標(biāo)定版。轉(zhuǎn)臺共轉(zhuǎn)過m次，共拍攝m張標(biāo)定圖片。將拍攝的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，由計算機(jī)提取出每個角度標(biāo)定板世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后將這m個世界坐標(biāo)系原點(diǎn)進(jìn)行圓心擬合就可以得到轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)。

然后進(jìn)行轉(zhuǎn)臺z軸的標(biāo)定，由于x軸和y軸在xy平面內(nèi)取向的特殊性，只需要確定z軸的方向即可建立旋轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系。z軸的標(biāo)定與轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)定相似，設(shè)p0(x0，y0，z0)為旋轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)；p(x，y，z)為旋轉(zhuǎn)臺工作表面上的參考點(diǎn)，可認(rèn)為是上一步中任意兩塊標(biāo)定板的世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，即p1(x1，y1，z1)和p2(x2，y2，z2)，則有如下方程

p0p1＝(x2-x0)i+(y2-y0)j+(z2-z0)k

p0p2＝(x1-x0)i+(y2-y0)j+(z1-z0)k

通過這兩個向量的向量積可求出z軸的方向向量。一旦旋轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)和z軸方向確定，它與激光測頭坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換的位姿關(guān)系就會確定。

第二步，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

裝置開始掃描被測物，機(jī)器臂末端夾持mems掃描振鏡激光三維測頭，測頭對準(zhǔn)被測物，機(jī)器臂靜止不動，獲得一個被測物點(diǎn)云模型，完成一個位置掃描后，機(jī)械臂運(yùn)動到另一個位置，進(jìn)行第二次掃描，重復(fù)n次，獲得n個物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動m個位置，重復(fù)上述掃描過程。掃描完成，轉(zhuǎn)臺共轉(zhuǎn)過m次，獲得m*n個點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第三步，點(diǎn)云拼接

1)轉(zhuǎn)臺單角度多位置拼接

根據(jù)第一步得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)rx和tx，以及從控制器讀出的機(jī)器臂位于兩個位置的位姿關(guān)系rd，td，根據(jù)位姿轉(zhuǎn)換公式

p2＝rp1+t(3.1)

其中p1為p2分別為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)系，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移矩陣可以將同一轉(zhuǎn)臺角度下相鄰兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下，再借助相鄰兩片點(diǎn)云之間的50％以上的重合度進(jìn)行點(diǎn)云自由拼接，然后依次完成n個位置的點(diǎn)云拼接后，即單角度進(jìn)行n次自由拼接，得到完整的物體單角度的點(diǎn)云模型。

2)轉(zhuǎn)臺多角度點(diǎn)云拼接

然后根據(jù)單角度拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將每連續(xù)兩個角度的點(diǎn)云進(jìn)行基于轉(zhuǎn)臺粗拼接和icp算法精確拼接，可以獲得物體的三維模型，具體過程如下：

a)基于轉(zhuǎn)臺粗拼接

上述得到的物體單角度點(diǎn)云模型在測頭內(nèi)部ccd相機(jī)坐標(biāo)下，根據(jù)第一步得到的mems掃描振鏡激光三維測頭坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系的位姿關(guān)系rm，tm，利用公式(3.1)將m個單角度點(diǎn)云模型，全部轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)系下，得到被測物的粗拼接模型。

b)icp算法精確拼接

上一步方法的拼接精度主要受制于旋轉(zhuǎn)臺精度，由于高精度的轉(zhuǎn)臺價格昂貴，實(shí)際使用中轉(zhuǎn)臺精度有限，通常無法得到非常精確的拼接結(jié)果。因此采用icp算法進(jìn)行拼接優(yōu)化，最終得到完整精確的模型。